Under de strikta kraven på hög precision och hög tillförlitlighet inom halvledarindustrin, även om granit är ett av kärnmaterialen, medför dess egenskaper också vissa begränsningar. Följande är dess största nackdelar och utmaningar i praktiska tillämpningar:
För det första är materialet mycket sprött och svårt att bearbeta
Risk för sprickbildning: Granit är i huvudsak en natursten med naturliga mikrosprickor och mineralpartikelgränser inuti, och det är ett typiskt sprött material. Vid ultraprecisionsbearbetning (såsom nanoslipning och komplex bearbetning av krökta ytor), om kraften är ojämn eller bearbetningsparametrarna är olämpliga, är det lätt att uppstå problem som flisning och spridning av mikrosprickor, vilket leder till att arbetsstycket skrapas.
Låg bearbetningseffektivitet: För att undvika sprödbrott krävs speciella processer som låghastighetsslipning med diamantslipskivor och magnetoreologisk polering. Bearbetningscykeln är 30 % till 50 % längre än för metallmaterial, och investeringskostnaden för utrustningen är hög (till exempel överstiger priset för en femaxlig länkad bearbetningscentral 10 miljoner yuan).
Begränsningar i komplexa strukturer: Det är svårt att producera ihåliga lättviktsstrukturer genom gjutning, smide och andra processer. Det används mestadels i enkla geometriska former som plattor och baser, och dess tillämpning är begränsad i utrustning som kräver oregelbundna stöd eller intern rörledningsintegration.
För det andra leder hög densitet till tung belastning på utrustningen
Svår att hantera och installera: Granitens densitet är ungefär 2,6–3,0 g/cm³, och dess vikt är 1,5–2 gånger så stor som gjutjärn under samma volym. Till exempel kan vikten av en granitbas för en fotolitografimaskin uppgå till 5 till 10 ton, vilket kräver särskild lyftutrustning och stötsäkra fundament, vilket ökar kostnaden för fabriksbyggnation och driftsättning av utrustning.
Dynamisk svarsfördröjning: Hög tröghet begränsar accelerationen av rörliga delar i utrustningen (t.ex. waferöverföringsrobotar). I scenarier där snabb start och stopp krävs (t.ex. höghastighetsinspektionsutrustning) kan det påverka produktionsrytmen och minska effektiviteten.
För det tredje är kostnaden för reparation och iteration hög
Defekter är svåra att reparera: Om ytslitage eller kollisionsskador uppstår under användning måste den returneras till fabriken för reparation med professionell sliputrustning, vilket inte kan hanteras snabbt på plats. Däremot kan metallkomponenter repareras omedelbart med metoder som punktsvetsning och laserbeklädnad, vilket resulterar i kortare driftstopp.
Design-iterationscykeln är lång: Skillnaderna i naturliga granitvener kan orsaka små fluktuationer i materialegenskaperna (såsom värmeutvidgningskoefficient och dämpningsförhållande) hos olika batcher. Om utrustningsdesignen ändras måste materialegenskaperna matchas om, och verifieringscykeln för forskning och utveckling är relativt lång.
Iv. Begränsade resurser och miljöutmaningar
Natursten är inte förnybar: Högkvalitativ granit (som "Jinan Green" och "Sesame Black" som används i halvledare) är beroende av specifika ådror, har begränsade reserver och dess utvinning är begränsad av miljöskyddspolicyer. Med expansionen av halvledarindustrin kan det finnas en risk för instabil råvaruförsörjning.
Problem med föroreningar vid bearbetning: Under skär- och slipprocesserna produceras en stor mängd granitdamm (innehållande kiseldioxid). Om det inte hanteras korrekt kan det orsaka silikos. Dessutom måste avloppsvattnet renas genom sedimentation innan det släpps ut, vilket ökar investeringarna i miljöskydd.
Fem. Otillräcklig kompatibilitet med nya processer
Begränsningar i vakuummiljön: Vissa halvledarprocesser (såsom vakuumbeläggning och elektronstrålelitografi) kräver att ett högt vakuumtillstånd upprätthålls inuti utrustningen. Mikroporerna på granitens yta kan dock adsorbera gasmolekyler, som långsamt frigörs och påverkar vakuumgradens stabilitet. Därför är ytterligare ytförtätningsbehandling (såsom hartsimpregnering) nödvändig.
Problem med elektromagnetisk kompatibilitet: Granit är ett isolerande material. I scenarier där statisk elektricitetsurladdning eller elektromagnetisk avskärmning krävs (t.ex. elektrostatiska adsorptionsplattformar för wafers) måste metallbeläggningar eller ledande filmer blandas, vilket ökar strukturell komplexitet och kostnad.
Branschens responsstrategi
Trots ovan nämnda brister har halvledarindustrin delvis kompenserat för granitens brister genom teknisk innovation:
Kompositstrukturdesign: Den använder kombinationen av "granitbas + metallram", med hänsyn till både styvhet och lättvikt (till exempel bäddar en viss tillverkare av fotolitografimaskiner in en bikakestruktur av aluminiumlegering i granitbasen, vilket minskar vikten med 40%).
Konstgjorda syntetiska alternativa material: Utveckla keramiska matriskompositer (såsom kiselkarbidkeramik) och epoxihartsbaserade konstgjorda stenar för att simulera granitens termiska stabilitet och vibrationsbeständighet, samtidigt som bearbetningsflexibiliteten förbättras.
Intelligent bearbetningsteknik: Genom att introducera AI-algoritmer för att optimera bearbetningsvägen, spänningssimulering för att förutsäga sprickrisker och kombinera online-detektering för att justera parametrar i realtid, har kassationsgraden i bearbetningen minskat från 5 % till under 1 %.
Sammanfattning
Granitens brister inom halvledarindustrin härrör huvudsakligen från spelet mellan dess naturliga materialegenskaper och industriella krav. Med teknikens framsteg och utvecklingen av alternativa material kan dess tillämpningsscenarier gradvis krympa mot "oersättliga kärnreferenskomponenter" (såsom hydrostatiska styrskenor för fotolitografimaskiner och ultraprecisionsmätplattformar), samtidigt som det gradvis ger vika för mer flexibla tekniska material i icke-kritiska strukturkomponenter. I framtiden kommer hur man balanserar prestanda, kostnad och hållbarhet att vara ett ämne som branschen fortsätter att utforska.
Publiceringstid: 24 maj 2025